JP2017076900A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素なソフトウェア及びハードウェアを用いて、低感度の撮像素子、暗いレンズ、少光量のエレクトロニックフラッシュあるいはエレクトロニックフラッシュなしでも十分に高解像度にて、複数箇所のピントを合わせる必要のある移動体の撮影が可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】ベルトコンベア１０２上の物品１０４に対し、カメラ１０３をフォーカス方向に駆動することで、物品１０４に複数のフォーカス位置を設定した撮影を実現する。物品１０４を撮影する際、コントローラ１０５はカメラ１０３のＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣに同期して、垂直ブランキング期間に予め設定したフォーカス位置にフォーカスを合わせるべく、アクチュエータ１０７を駆動する圧電素子１０８にＰＷＭ制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。より詳細には、ベルトコンベア等の移送手段によって移送される対象物 の静止画を撮影する撮像装置に関する。

撮像素子の高性能化と画像処理技術の進歩により、画像認識機能を備える産業用途の撮像装置（マシンビジョンシステム）が普及している。撮像装置は、ベルトコンベアやロボットアーム等によって移動する物品（被写体）を撮影する。撮像装置に接続される情報処理装置は、撮像装置が出力する静止画像データを処理することで、物品の良否等を判定する。そして、物品の処理設備は、その判定結果に応じて所定の処理を行う。こうすることで、撮像装置は生産設備の歩留まりを向上させる等の効果を奏する。

従来の撮像装置は、高感度の撮像素子と、Ｆ値が小さい（明るい）レンズと、大光量のエレクトロニックフラッシュ（ストロボ）を用い、また絞りを開けていた。

発明者は特許文献１に開示される、圧電素子を用いて撮像素子をベルトコンベアの移動方向に平行な方向へ駆動して、ブレを減少する技術を発明した。この技術により、撮像装置に使用する光学系のコストを低減させることができた。

特許5597783号公報

例えば、高さが異なる部品が集積されているプリント基板を撮影する場合、被写界深度を深くして、一回の撮影で全ての高さが異なる部品にピントが合うようにするために、光学系の絞りを絞る必要が生じる。絞りを絞ると、画像が暗くなる。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、簡素なソフトウェア及びハードウェアを用いて、低感度の撮像素子、暗い（透明度の低い）レンズ、少光量のエレクトロニックフラッシュあるいはエレクトロニックフラッシュなしでも十分に高解像度にて、複数箇所のピントを合わせる必要のある被写体の撮影が可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、被写体を撮影する撮像素子と、撮像素子と被写体との間に介在して撮像素子に被写体のイメージを結像する光学系と、撮像素子を光学系に対しフォーカス方向に駆動するアクチュエータと、アクチュエータに組み込まれ、アクチュエータに駆動力を供給する圧電素子と、圧電素子に接続され、圧電素子に制御電圧を供給するコントローラとを具備する。

本発明により、簡素なソフトウェア及びハードウェアを用いて、低感度の撮像素子、暗いレンズ、少光量のエレクトロニックフラッシュあるいはエレクトロニックフラッシュなしでも十分に高解像度にて、複数箇所のピントを合わせる必要のある被写体 の撮影が可能な撮像装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態に係る撮像装置を含む、産業ラインの概略図である。 カメラ構造体の分解斜視図である。 アクチュエータの正面図である。 静止画像情報処理装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 コントローラのハードウェア構成を示すブロック図である。 コントローラのソフトウェア機能を示すブロック図である。 ＰＷＭドライバの回路図である。 一般的な光学系における、ワーキングディスタンス変化量に対するフランジバック変化量の関係を示すグラフである。 本実施形態に係る撮像装置の動作原理を説明する概念図である。 外部トリガの発生をきっかけとする、コントローラ及びカメラの動作の流れを説明するタイムチャートである。 コントローラにフォーカス位置を設定するためのアプリケーションプログラムの操作画面である。

本発明の実施形態（以下「本実施形態」と略す）について、概略を説明する。
本実施形態に係る撮像装置は、特許文献１に開示される技術の応用である。すなわち、撮像素子を圧電素子にてフォーカス方向に駆動することで、撮影対象となる物品の、複数箇所のピントを合わせることを実現する。撮像素子のピント位置はプリセットしておく。撮影は例えば１／６０秒毎、つまり１フレーム毎に行い、撮像素子の駆動は垂直ブランキング期間に行う。民生品のデジタルカメラではまず行わないであろう、動画像フレーム毎にピントを異ならせた高速連続撮影を実現する。

［産業ライン１０１に適用される撮像装置１０２と静止画像情報処理装置１１０］
図１は、本実施形態に係る撮像装置１０２を含む、産業ライン１０１の概略図である。
撮像装置１０２は、カメラ１０３と、カメラ１０３の光学系１０４と、コントローラ１０５よりなる。
カメラ１０３は、撮像素子１０６と、撮像素子１０６をピント方向に駆動するアクチュエータ１０７と、アクチュエータ１０７に駆動力を供給する圧電素子１０８と、撮像素子１０６から出力される映像信号を静止画像データとして出力するための映像信号処理部１０９よりなる。
カメラ１０３から出力される画像データは、静止画像情報処理装置１１０に供給され、所定の画像処理が行われる。
コントローラ１０５は、アクチュエータコントローラ１１１と、ＰＷＭパルス生成部１１２と、ＰＷＭドライバ１１３よりなる。

被写体１１４は図示しない移送機構によって、カメラ１０３の光学系１０４が形成する、カメラ１０３の画角の範囲内に移送され、一旦停止される。この被写体１１４は、製造途中の物品や、製造後の検査の途中の物品である。
被写体１１４がカメラ１０３の画角の範囲内に移送される際、フォトインタラプタ１１５は被写体１１４の存在を検出し、外部トリガを出力する。外部トリガはコントローラ１０５のアクチュエータコントローラ１１１に供給される。

アクチュエータコントローラ１１１は、外部トリガと、カメラ１０３の映像信号処理部１０９から出力される垂直同期信号（以下「ＶＳＹＮＣ」）及び水平同期信号（以下「ＨＳＹＮＣ」）に基づいて、内部トリガを生成し、映像信号処理部１０９に供給する。この内部トリガは映像信号処理部１０９を通じて撮像素子１０６にも供給される。撮像素子１０６は周知のＣＭＯＳ撮像素子であり、内部トリガを受けて内蔵するシーケンサをリセットする。
また、アクチュエータコントローラ１１１は、外部トリガと、カメラ１０３の映像信号処理部１０９から出力されるＶＳＹＮＣ及びＨＳＹＮＣに基づいて、アクチュエータトリガを生成し、ＰＷＭパルス生成部１１２に供給する。ＰＷＭパルス生成部１１２はＰＷＭドライバ１１３を制御するパルスを生成する。ＰＷＭドライバ１１３はＰＷＭパルス生成部１１２の制御に基づいて、高電圧の駆動電圧を生成し、圧電素子１０８を駆動する。圧電素子１０８は、ＰＷＭドライバ１１３によって所定の電圧が印加されることで、圧電素子１０８の形状の変位が増減する。

カメラ１０３は、アクチュエータコントローラ１１１から出力される内部トリガを受けて、被写体１１４を撮影する。撮像素子１０６は映像信号を映像信号処理部１０９へ出力する。映像信号処理部１０９は映像信号から画像データを生成して、静止画像情報処理装置１１０へ出力する。
また、ＰＷＭドライバ１１３から出力される駆動電圧によって、圧電素子１０８が変形し、これによりアクチュエータ１０７は撮像素子１０６をピント方向に駆動する。一方、光学系１０４は、被写体１１４との相対距離及び位置を固定している。このため、カメラ１０３は、内部トリガと駆動電圧を受けて、被写体１１４の複数のピント位置における画像データを、静止画像情報処理装置１１０へ出力する。
静止画像情報処理装置１１０は大容量のメモリを内蔵するフレームグラバ１１６を有し、カメラ１０３から出力される画像データをフレームグラバ１１６に取り込む。また、静止画像情報処理装置１１０はコントローラ１０５にフォーカスパターンデータを含む撮像コマンドを送信する。

［カメラ構造体２０１］
図２は、カメラ構造体２０１の分解斜視図である。
レンズを含む光学系１０４はフロントパネル２０２に固定される。フロントパネル２０２の四隅には４本の支柱２０３がネジ止めされ、この支柱２０３を通じて背面板２０４が固定される。背面板２０４の２辺には、アクチュエータ１０７が２個、ネジ止めされている。アクチュエータ１０７の、背面板２０４にネジ止めされていない他方には、台板２０５がネジ止めされている。台板２０５には、撮像素子１０６を有するカメラ基板２０６がネジ止めされている。

［アクチュエータ１０７］
図３は、アクチュエータ１０７の正面図である。
アクチュエータ１０７は、ステンレス等の弾性変形が可能な金属の板を切削加工して形成される。アクチュエータ１０７の中心部分には圧電素子１０８が圧入されている。圧電素子１０８に電圧が印加されると、圧電素子１０８は伸長変形する。すると、テコの原理で固定部３０１に対し、第一可動部３０２が矢印Ｒ３０３方向に、第二可動部３０４が矢印Ｒ３０５方向に、それぞれ移動する。

図２と図３を見てわかるように、圧電素子１０８に電圧が印加されると、アクチュエータ１０７はその短手方向の幅が短くなる方向に変形する。すると、台板２０５を通じてカメラ基板２０６が光学系１０４から離間される方向に駆動される。

［静止画像情報処理装置１１０］
図４は、静止画像情報処理装置１１０のハードウェア構成を示すブロック図である。
静止画像情報処理装置１１０は周知のパソコン等の情報処理装置であり、ＣＰＵ４０１、ＲＯＭ４０２、ＲＡＭ４０３、表示部４０４、操作部４０５及び不揮発性ストレージ４０６が、バス４０７に接続されている。バス４０７には更に、画像データを受け取るフレームグラバ１１６と、コントローラ１０５に撮像コマンドを出力するシリアルインターフェース（図４中「シリアルＩ／Ｆ」と略）４０８が接続されている。
不揮発性ストレージ４０６には周知のＯＳと、情報処理装置を静止画像情報処理装置１１０として稼働させるためのプログラムが格納されている。

［コントローラ１０５のハードウェア構成］
図５は、コントローラ１０５のハードウェア構成を示すブロック図である。
周知のマイコンよりなるコントローラ１０５は、ＣＰＵ５０１、ＲＯＭ５０２、ＲＡＭ５０３及び不揮発性ストレージ５０４が、バス５０５に接続されている。バス５０５には更に、外部トリガとＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣが入力される第一インターフェース（図５中「第一Ｉ／Ｆ」と略記）５０６、内部トリガと、ＰＷＭ＋パルス及びＰＷＭ−パルスを出力する第二インターフェース（図５中「第二Ｉ／Ｆ」と略記）５０７、外部の図示しない設定端末と接続されるＵＳＢ等の制御インターフェース（図５中「制御Ｉ／Ｆ」と略記）５０８が接続されている。
第二インターフェースから出力されるＰＷＭ＋パルス及びＰＷＭ−パルスは、ＰＷＭドライバ１１３に入力される。スイッチング電源５０９は、図示しない商用交流電源を整流して、ＰＷＭドライバ１１３に直流高電圧を与える。

［コントローラ１０５のソフトウェア機能］
図６は、コントローラ１０５のソフトウェア機能を示すブロック図である。
入出力制御部６０１は、外部トリガを受けると、内蔵するタイマ６０２を起動して、タイマ６０２が計時した時間の経過後、カウンタ６０３をリセットする。カウンタ６０３はカメラ１０３から出力されるＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣを計数する。
入出力制御部６０１は、カウンタ６０３が所定の数値に至ったことを受けて、内部トリガをカメラ１０３へ出力すると共に、ＰＷＭパルス生成部１１２にアクチュエータトリガと、フォーカスパターンメモリ６０４に格納されているフォーカスパターンデータを出力する。
ＰＷＭパルス生成部１１２は、アクチュエータトリガとフォーカスパターンデータを受けて、ＰＷＭパターンメモリ６０５を参照して、ＰＷＭドライバ１１３へＰＷＭ＋パルスまたはＰＷＭ−パルスを出力する。
なお、アクチュエータトリガはコントローラ１０５のソフトウェア機能の内部で生成されるフラグである。すなわち、ソフトウェア機能である入出力制御部６０１からソフトウェア機能であるＰＷＭパルス生成部１１２に引き渡されるフラグである。

不揮発性ストレージ５０４またはＲＯＭに記憶されているＰＷＭパターンメモリ６０５には、ＰＷＭドライバ１１３が圧電素子１０８に所望の電圧を与えるためのＰＷＭパルスのパターンが記憶されている。
不揮発性ストレージ５０４に記憶されているフォーカスパターンメモリ６０４には、ＰＷＭドライバ１１３が圧電素子１０８にフォーカス駆動を行うフォーカスパターンデータが記憶されている。このフォーカスパターンデータは、静止画像情報処理装置１１０から撮像コマンドによってフォーカスパターンメモリ６０４に記憶される。
コントローラ１０５は、産業ライン１０１の稼働前にフォーカスパターンデータを記憶すると、産業ライン１０１の稼働時にはフォーカスパターンメモリ６０４に記憶されたフォーカスパターンデータに従って、圧電素子１０８及び撮像素子１０６を制御する。あるいは、産業ライン１０１の稼働中、被写体１１４が画角の範囲内に到達する前、つまり撮像工程の都度、静止画像情報処理装置１１０から撮像コマンドをコントローラ１０５に与えて、フォーカスパターンメモリ６０４にフォーカスパターンデータを記憶させてもよい。

［ＰＷＭドライバ１１３］
図７は、ＰＷＭドライバ１１３の回路図である。
コントローラ１０５から出力されるＰＷＭ＋パルスは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ７０１（以下「ＰＭＯＳＦＥＴ」と略）のゲートに印加される。ソースがスイッチング電源５０９に接続されるＰＭＯＳＦＥＴ７０１は、スイッチング電源５０９に対するハイサイドスイッチとして機能する。
コントローラ１０５から出力されるＰＷＭ−パルスは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ７０２（以下「ＮＭＯＳＦＥＴ」と略）のゲートに印加される。ＮＭＯＳＦＥＴ７０２のドレインは、電流制限抵抗Ｒ７０３に接続されている。電流制限抵抗Ｒ７０３の他方の端子は、ＰＭＯＳＦＥＴ７０１のドレインに接続されている。ＮＭＯＳＦＥＴ７０２は、平滑コンデンサＣ７０４及び圧電素子１０８に対するローサイドスイッチとして機能する。

なお、ＰＷＭドライバ１１３におけるＮＭＯＳＦＥＴ７０２及びＰＭＯＳＦＥＴ７０１は一般的な使用例であるが、必ずしもこれに限られない。例えば、ハイサイドスイッチとして用いるＰＭＯＳＦＥＴ７０１の代わりにＮＭＯＳＦＥＴを用いて、ＮＭＯＳＦＥＴのゲートにスイッチング電源５０９が出力する電圧より高いゲート電圧を印加することで、スイッチング電源５０９のオン・オフを制御させてもよい。

ＮＭＯＳＦＥＴ７０２がオフ状態のまま、ＰＭＯＳＦＥＴ７０１のゲートにＰＷＭ＋パルスを与えると、ＰＭＯＳＦＥＴ７０１はＰＷＭ＋パルスの波形に呼応してオン・オフ制御される。すると、平滑コンデンサＣ７０４に電荷が溜まり、平滑コンデンサＣ７０４の端子間電圧が上昇する。そして、圧電素子１０８は平滑コンデンサＣ７０４の端子間電圧に呼応して変位が増大する。
平滑コンデンサＣ７０４の端子間電圧が所望の電圧に上昇したら、ＰＭＯＳＦＥＴ７０１及びＮＭＯＳＦＥＴ７０２をオフ状態に維持する。圧電素子１０８は容量性負荷であるため、圧電素子１０８に電流は流れず、平滑コンデンサＣ７０４の端子間電圧は変わらないので、圧電素子１０８は変位を維持する。

ＰＭＯＳＦＥＴ７０１がオフ状態のまま、ＮＭＯＳＦＥＴ７０２のゲートにＰＷＭ−パルスを与えると、ＮＭＯＳＦＥＴ７０２はＰＷＭ−パルスの波形に呼応してオン・オフ制御される。すると、平滑コンデンサＣ７０４の端子間電圧が下降する。そして、圧電素子１０８は平滑コンデンサＣ７０４の端子間電圧に呼応して変位が減少する。
圧電素子１０８が容量性負荷であること、またフォーカス位置を維持する時間は例えば１／６０秒等の、フレームレートに相当する極僅かな時間であることにより、フォーカス位置を維持する間はＰＷＭ制御を行わず、ＰＭＯＳＦＥＴ７０１及びＮＭＯＳＦＥＴ７０２を同時にオフ制御するだけでよい。

［動作原理］
図８は、一般的な光学系１０４における、ワーキングディスタンス変化量（図８中「ＷＤ変化量」と略記）に対するフランジバック変化量（図８中「ＦＢ変化量」と略記）の関係を示すグラフである。ＷＤとは、対物レンズ下面と被写体１１４との距離である。ＦＢとは、撮像素子１０６から撮像素子１０６に面するレンズとの距離である。
図８を見て判るように、ＦＢを０．１ｍｍ変化させると、ＷＤは２０ｍｍ変化させることができる。
すなわち、一般的な光学系１０４は、レンズをフォーカス方向に移動させることでフォーカス（ピント）を合わせるが、レンズを含む光学系１０４は固定したまま、撮像素子１０６をフォーカス方向に移動させて、ＦＢを変化させることで、同様の効果を得ることができる。そして、レンズの移動距離（ＷＤ）に比して、撮像素子１０６の移動距離（ＦＢ）は微小で済む。

図９は、本実施形態に係る撮像装置１０２の動作原理を説明する概念図である。
図９中、（Ａ）は圧電素子１０８に第一の制御電圧を印加した状態を説明する図である。圧電素子１０８に第一の制御電圧を印加する時、アクチュエータ１０７の変位量は小さい。この時、合焦点は被写体１１４の高さが最も低い部品９０１に合致する。
図９中、（Ｂ）は圧電素子１０８に第二の制御電圧を印加した状態を説明する図である。圧電素子１０８に第一の制御電圧より高い第二の制御電圧を印加する時、アクチュエータ１０７の変位量は圧電素子１０８に第一の制御電圧を印加された時より大きい。この時、合焦点は圧電素子１０８に第一の制御電圧を印加された時の、被写体１１４の高さが最も低い部品９０１より高い、２番目の高さの部品９０２に合致する。
図９中、（Ｃ）は圧電素子１０８に第三の制御電圧を印加した状態を説明する図である。圧電素子１０８に第二の制御電圧より高い第三の制御電圧を印加する時、アクチュエータ１０７の変位量は圧電素子１０８に第二の制御電圧を印加された時より大きい。この時、合焦点は圧電素子１０８に第二の制御電圧を印加された時の、被写体１１４の高さが２番目の高さの部品９０２より高い、３番目の高さの部品９０３に合致する。
いずれの場合においても、被写体１１４と光学系１０４との間の距離は変化せず、光学系１０４と撮像素子１０６との間の距離が、アクチュエータ１０７によって変化することで、被写体１１４における合焦点が変化する。

２０ｍｍ長の圧電素子１０８に１５０Ｖを印加した際の、圧電素子１０８の変位量は、約１７．４μｍである。このままでは撮像装置１０２において所望のフォーカス範囲を得ることが困難である。そこで、テコの原理を応用して、圧電素子１０８の変位量を倍増するアクチュエータ１０７を採用した。図２及び図３に示すアクチュエータ１０７は、圧電素子１０８の変位量を約３倍に増大することができる。これにより、フランジバック距離が変化し、ＷＤ変化量を２０ｍｍ程度確保することができる。
一般的な表面実装部品（ＳＭＤ：Surface Mount Device）の高さは２０ｍｍに満たないものが殆どであることから、本実施形態の撮像装置１０２は、殆どのプリント基板における、画像処理を用いた検査用途に適合する。

［動作の流れ］
図１０は、外部トリガの発生を契機とした、コントローラ１０５及びカメラ１０３の動作の流れを説明するタイムチャートである。横軸は時間であり、縦軸は論理または電圧を示す。
図１０中、（Ａ）はコントローラ１０５に入力される外部トリガのタイムチャートである。
（Ｂ）はコントローラ１０５から生成され映像信号処理部１０９に供給される、内部トリガのタイムチャートである。内部トリガの立ち上がりは、カメラ１０３から発生する映像信号の、垂直ブランキング期間の開始タイミングに等しい。
（Ｃ）はコントローラ１０５から生成されＰＷＭパルス生成部１１２に供給される、アクチュエータトリガのタイムチャートである。アクチュエータトリガの立ち上がりは、アクチュエータ１０７を駆動するタイミングを決定する。
（Ｄ）はＰＷＭドライバ１１３から圧電素子１０８に与えられる、アクチュエータ１０７の動作電圧のタイムチャートである。
（Ｅ）はカメラ１０３の露光のタイミングのタイムチャートである。露光していない期間は垂直ブランキング期間である。
（Ｆ）は映像信号処理部１０９から静止画像情報処理装置１１０に供給される画像データのタイムチャートである。
なお、説明の便宜上、論理信号（（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ））はハイアクティブ（高電位が論理の真を表す。）にて記述している。

外部トリガが発生すると（Ｔ１００１）、入出力制御部６０１はタイマ６０２を起動して、被写体１１４がカメラ１０３の画角の範囲内に到達し、移送機構が停止し、被写体１１４の振動が停止するまでの、所定の時間を計時する。タイマ６０２が所定の時間を計時したら、入出力制御部６０１はカウンタ６０３を起動して、内部トリガを発生する（Ｔ１００２）。この内部トリガは映像信号処理部１０９を通じてＣＭＯＳ型の撮像素子１０６にリセット動作を引き起こす。すると、撮像素子１０６は内部トリガを受けてから僅かな時間だけ、ＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣが出力されない状態が生じる。その後、撮像素子１０６はＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣを出力する。カウンタ６０３はＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣを計数する。

内部トリガが出力された時点Ｔ１００２から、撮像素子１０６がＨＳＹＮＣを出力し続けて暫くすると、垂直ブランキング期間が終了し、露光期間が開始する（Ｔ１００３）。この、時点Ｔ１００２とＴ１００３の間が垂直ブランキング期間となる。入出力制御部６０１は、垂直ブランキング期間の開始時点（Ｔ１００２）からタイマ６０２でマージンとなる時間を計時した後、アクチュエータトリガと、フォーカスパターンメモリ６０４に格納されているフォーカスパターンデータをＰＷＭパルス生成部１１２に出力する（Ｔ１００４）。

ＰＷＭパルス生成部１１２は、先ずＰＷＭ−パルスを出力して、平滑コンデンサＣ７０４及び圧電素子１０８に溜まっている電荷を放電する（Ｔ１００４からＴ１００５の間）。次にＰＷＭパルス生成部１１２は、入出力制御部６０１から受け取ったフォーカスパターンデータに基づき、ＰＷＭパターンメモリ６０５から該当するＰＷＭパターンデータを読み出す。そして、読み出したＰＷＭパターンデータに基づくＰＷＭ＋パルスを出力して、平滑コンデンサＣ７０４及び圧電素子１０８を充電し、平滑コンデンサＣ７０４及び圧電素子１０８の電圧を所望の電圧まで上昇させる（Ｔ１００５からＴ１００６の間）。

カウンタ６０３の値が撮像素子１０６が出力する１フレーム分のＨＳＹＮＣに相当する値に至ったら、入出力制御部６０１は次の内部トリガをカメラ１０３へ出力する（Ｔ１００７）。この時点Ｔ１００７が垂直ブランキング期間の開始時点となる。以下、時点Ｔ１００２からＴ１００３と同様の動作となる。入出力制御部６０１はアクチュエータトリガ（Ｔ１００６）をＰＷＭパルス生成部１１２に出力する。次にＰＷＭパルス生成部１１２は平滑コンデンサＣ７０４及び圧電素子１０８に溜まっている電荷の放電（Ｔ１００８からＴ１００９）を行い、平滑コンデンサＣ７０４及び圧電素子１０８を充電（Ｔ１００９からＴ１０１０）する。そして垂直ブランキング期間が終了する（Ｔ１０１１）。
時点Ｔ１００７からＴ１０１１までの動作は、フォーカスパターンメモリ６０４に格納されているフォーカスパターンデータのレコード数だけ行われる（Ｔ１０１２、Ｔ１０１３、Ｔ１０１４、Ｔ１０１５、Ｔ１０１６、Ｔ１０１７、Ｔ１０１８）。

すなわち入出力制御部６０１は、外部トリガを受信したら、フォーカスパターンメモリ６０４に格納されているフォーカスパターンデータのレコード数だけ、内部トリガと、アクチュエータトリガを出力する。その際、カウンタ６０３はＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣを計数して、撮像素子１０６の１フレーム分の時間を把握し、撮像素子１０６と同期して動作する。
アクチュエータトリガは、コントローラ１０５から明示的な信号としては出力されないが、ＰＷＭドライバ１１３が圧電素子１０８に駆動電圧を与え、アクチュエータ１０７が動作する開始時間に等しい。

図１０において、内部トリガ（Ｔ１００２、Ｔ００７、Ｔ１０１２、Ｔ１０１７）とアクチュエータトリガ（Ｔ１００４、Ｔ１００８、Ｔ１０１３、Ｔ１０１８）、すなわちアクチュエータの動作開始時間との間には、入出力制御部６０１によってマージンのために所定の相対時間Ｄ１０２０が設けられている。そして、アクチュエータの駆動は垂直ブランキング期間の中で行われる。垂直ブランキング期間は、図１０では時点Ｔ１００２からＴ１００３の間、Ｔ１００７からＴ１０１１の間、Ｔ１０１２からＴ１０１６の間である。アクチュエータの駆動は、時点Ｔ１００４からＴ１００６の間、Ｔ１００８からＴ１０１０の間、Ｔ１０１３からＴ１０１５の間である。アクチュエータの駆動が終了する時点である時点Ｔ１００６は垂直ブランキング期間の終了時点である時点Ｔ１００３より早い時点である。同様に、時点Ｔ１０１０はＴ１０１１の手前であり、時点Ｔ１０１５はＴ１０１６の手前である。

［ＰＷＭの台形制御］
図９及び図１０に示す、圧電素子１０８に印加する制御電圧は、モータ等で周知のいわゆる台形制御を用いている。すなわち、電圧を徐々に上げ、また徐々に下げるためにＰＷＭドライバ１１３に印加するＰＷＭ＋パルスまたはＰＷＭ−パルスのデューティ比またはパルス密度を変化させる。これは、アクチュエータ１０７で発生するリンギングを防止するためである。いきなり所定の電圧を圧電素子１０８に印加すると、アクチュエータ１０７に強大な力が瞬時に加わり、アクチュエータ１０７が固有振動で振動してしまう。このリンギングを防ぐため、アクチュエータ１０７に加わる力、すなわち加速度を所定の値以下に抑える。このために、コントローラ１０５はＰＷＭ制御による圧電素子１０８に印加する電圧の制御に台形制御を採用している。

［フォーカス位置の設定］
図１１は、コントローラ１０５にフォーカス位置を設定するためのアプリケーションプログラムの操作画面である。なお、説明のため、カメラ１０３による撮影イメージも併せて表示している。
ノートパソコン等の図示しない設定端末をコントローラ１０５に接続し、アプリケーションプログラムを起動すると、図１１に示す操作画面１１０１が表示される。また、カメラ１０３から出力される画像データも設定端末に入力される。なお、設定端末は静止画像情報処理装置１１０で兼用することもできる。
フォーカス位置を合わせるために、図示しない移送機構を停止した状態で被写体１１４をカメラ１０３の画角の範囲内に置き、カメラ１０３の出力データをモニタウィンドウ１１０２で見る。

フォーカス設定欄１１０３をマウス等のポインティングデバイスで選択し、スライドバー１１０４をマウス等のポインティングデバイスで左右に動かすと、ＰＷＭドライバ１１３からスライドバー１１０４で指示された位置に対応する電圧が圧電素子１０８に印加される。すると、カメラ１０３のフォーカス位置が変化して、モニタウィンドウ１１０２に表示される、カメラ１０３による撮影画像に、フォーカス位置の変化が現れる。個々のフォーカス設定欄１１０３毎に所望のフォーカス位置を設定することで、複数のフォーカス位置に対応する電圧データの情報が、コントローラ１０５のフォーカスパターンメモリ６０４に記憶される。

図１１中、Ｖ１１０４、Ｖ１１０５及びＶ１１０６は、それぞれ異なるフォーカス設定における、モニタウィンドウ１１０２の表示イメージである。白抜き矢印Ｒ１１０７、Ｒ１１０８及びＲ１１０９は、それぞれフォーカスが合致した部品を示す。異なる高さの部品に対し、フォーカスを合致させることで、静止画像情報処理装置１１０における部品の良否判定等の画像処理を確実に遂行することが可能になる。

本実施形態の撮像装置１０２は、予め複数のフォーカス位置を設定端末を用いた設定作業を通じてコントローラ１０５に記憶させる。そして、光学系１０４に対する撮像素子１０６のＦＢ距離を機械的に駆動することで、被写体１１４とカメラ１０３とのフォーカス位置を複数箇所合わせて、そのフォーカス位置毎に連続的に撮影をすることができる。
民生用デジタルスチルカメラに採用されているオートフォーカスとは異なり、撮影装置にフォーカス位置を探す動作は不要となる。また、撮像素子１０６の機械的駆動は垂直ブランキング期間の中で行われる。このため、例えば１／６０秒等のフレームレートで連写するという、民生用デジタルスチルカメラに採用されているオートフォーカスでは不可能な、極めて高速なフォーカス位置の異なる複数回の連続撮影を実現できる。

本発明の実施形態は、以下の様な応用例が可能である。
（１）近年のマシンビジョン用途のカメラには、部分読み出しと呼ばれる、撮像範囲の一部分を抜粋して画像データとして出力する機能を有するものがある。撮像範囲を限定することで、フレームレートを上げることも可能である。また、撮像範囲の複数箇所を順番に抜粋するシーケンサ機能を有するものもある。このカメラと本実施形態のコントローラ１０５とを組み合わせることで、撮像範囲内の、撮影したい部品が存在する領域のみ抜粋して、フォーカスを合わせて撮影、という動作を連続して実行できる。また、フレームレートも向上することで、撮像装置１０２の撮影動作はより高速になり、撮像装置１０２が出力する画像データのデータ量も節約できるので、静止画像情報処理装置１１０の負担も軽減される。

（２）移送機構には異なる種類のプリント基板（被写体１１４）が混在して流れることがある。そこで、撮像装置１０２が複数種類の被写体１１４を区別して、被写体１１４毎に異なるフォーカスパターンデータを用いて撮影することができる。具体的には、フォトインタラプタ１１５を複数設けたり、またフォトインタラプタ１１５の出力波形の長短を区別する等で、フォトインタラプタ１１５の出力信号、すなわち外部トリガに被写体１１４の識別能力を持たせる。この外部トリガを静止画像情報処理装置１１０に与えて、静止画像情報処理装置１１０に異なる被写体１１４を識別する能力を持たせる。そして、静止画像情報処理装置１１０が被写体１１４の種別に合わせた撮像コマンドをコントローラ１０５に与えることで、撮像装置１０２が複数種類の被写体１１４を対象に撮影を行うことが可能である。

本発明の実施形態では、撮像装置１０２を開示した。
被写体１１４に対し、カメラ１０３をフォーカス方向に駆動することで、被写体１１４に複数のフォーカス位置を設定した撮影を実現する。被写体１１４を撮影する際、コントローラ１０５はカメラ１０３のＨＳＹＮＣ及びＶＳＹＮＣに同期して、垂直ブランキング期間に予め設定したフォーカス位置にフォーカスを合わせるべく、アクチュエータ１０７を駆動する圧電素子１０８にＰＷＭ制御を行う。低感度のカメラ１０３や、Ｆ値の大きい光学系１０４等、低価格な撮像部品を用いて、被写体１１４の、フォーカス位置の異なる複数の箇所に対してピンぼけのない高解像度の静止画像を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の揮発性あるいは不揮発性のストレージ、または、ＩＣカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１０１…産業ライン、１０２…撮像装置、１０３…カメラ、１０４…光学系、１０５…コントローラ、１０６…撮像素子、１０７…アクチュエータ、１０８…圧電素子、１０９…映像信号処理部、１１０…静止画像情報処理装置、１１１…アクチュエータコントローラ、１１２…ＰＷＭパルス生成部、１１３…ＰＷＭドライバ、１１４…被写体、１１５…フォトインタラプタ、１１６…フレームグラバ、２０１…カメラ構造体、２０２…フロントパネル、２０３…支柱、２０４…背面板、２０５…台板、２０６…カメラ基板、３０１…固定部、３０２…第一可動部、３０４…第二可動部、４０１…ＣＰＵ、４０２…ＲＯＭ、４０３…ＲＡＭ、４０４…表示部、４０５…操作部、４０６…不揮発性ストレージ、４０７…バス、４０８…シリアルインターフェース、５０１…ＣＰＵ、５０２…ＲＯＭ、５０３…ＲＡＭ、５０４…不揮発性ストレージ、５０５…バス、５０６…第一インターフェース、５０７…第二インターフェース、５０８…制御インターフェース、５０９…スイッチング電源、６０１…入出力制御部、６０２…タイマ、６０３…カウンタ、６０４…フォーカスパターンメモリ、６０５…ＰＷＭパターンメモリ、７０１…ＰＭＯＳＦＥＴ、７０２…ＮＭＯＳＦＥＴ、Ｒ７０３…電流制限抵抗、Ｃ７０４…平滑コンデンサ、１１０１…操作画面、１１０２…モニタウィンドウ、１１０３…フォーカス設定欄、１１０４…スライドバー

従来の撮像装置は、高感度の撮像素子と、Ｆ値が小さい（明るい）レンズと、大光量のエレクトロニックフラッシュ（ストロボ）を用い、また絞りを開けていた。
発明者は特許文献１に開示される、圧電素子を用いて撮像素子をベルトコンベアの移動方向に平行な方向へ駆動して、ブレを減少する技術を発明した。この技術により、撮像装置に使用する光学系のコストを低減させることができた。

上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、移送機構により移送される被写体の検査に用いられる撮像装置であって、被写体を撮影する撮像素子と、撮像素子と被写体との間に介在して撮像素子に被写体のイメージを結像する光学系と、撮像素子を光学系に対しフォーカス方向に駆動するアクチュエータと、アクチュエータに組み込まれ、アクチュエータに駆動力を供給する圧電素子とを具備する。そしてコントローラは、圧電素子に接続され、外部トリガに呼応して、撮像素子に撮影の開始を指示すると共に、撮像素子が出力する映像信号の第一の垂直ブランキング期間の間に、圧電素子に予め定めた第一の制御電圧を供給することにより、アクチュエータを駆動して光学系を第一の位置に駆動し、撮像素子が出力する映像信号の、第一の垂直ブランキング期間の後に現れる第二の垂直ブランキング期間の間に、圧電素子に予め定めた第二の制御電圧を供給することにより、アクチュエータを駆動して光学系を第二の位置に駆動する。

Claims (3)

1. 被写体を撮影する撮像素子と、
   前記撮像素子と前記被写体との間に介在して前記撮像素子に前記被写体のイメージを結像する光学系と、
   前記撮像素子を前記光学系に対しフォーカス方向に駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに組み込まれ、前記アクチュエータに駆動力を供給する圧電素子と、
   前記圧電素子に接続され、前記圧電素子に制御電圧を供給するコントローラと
   を具備する撮像装置。
2. 前記コントローラは、外部トリガに呼応して、前記撮像素子に撮影の開始を指示する内部トリガを生成すると共に、前記撮像素子が出力する映像信号の垂直ブランキング期間の間に、前記内部トリガに対して所定の相対時間を以って前記圧電素子に制御電圧を供給することにより、前記アクチュエータを駆動する、
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記コントローラは、前記撮像素子から発生する水平同期パルスを計数することで１フレームに相当する時間を計測して、前記内部トリガを発生する、
   請求項２に記載の撮像装置。